• Este trabajo consta de dos partes: PRIMERA.

• Este trabajo consta de dos partes:
PRIMERA.- Introducción común (desarrollada junto a Alberto Moral)
SEGUNDA.- Análisis del HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRA
DE LINO, como trabajo individual de Maria del Mar Nogueira
López.
Maria del Mar Nogueira López
ETSAG
Master en arquitectura y ciudad
Materiales
MATERIALES COMPUESTOS
1. Introducción
La mayoría de las tecnologías modernas requiere materiales con una combinación inusual de
propiedades, imposible de conseguir con los metales, las cerámicas y los polímeros convencionales.
Las combinaciones de propiedades de los materiales y la gama de sus valores se han ampliado, y se siguen
ampliando, mediante el desarrollo de materiales compuestos
(composites). En términos generales, se considera que un material compuesto es un material
multifase que conserva una proporción significativa de las propiedades de las fases constituyentes [3]de
manera que presente la mejor combinación posible. De acuerdo con este
combinada,
las
mejores
propiedades
se
obtienen
por
principio
de
acción
la combinación razonada de dos o más
materiales diferentes.
Existen materiales compuestos naturales, como por ejemplo, la madera, que consiste en fibras de
celulosa flexibles embebidas en un material rígido llamado lignina. El hueso es un material compuesto
formado por colágeno, una proteína resistente pero blanda,
y por apatito, un mineral frágil.
En el presente contexto, un material compuesto es un material multifase obtenido artificialmente, en
oposición a los que se encuentran en la naturaleza. Además, las fases constituyentes deben ser
químicamente distintas y separadas por una interfaz.
La mayoría de los materiales compuestos se han creado para mejorar la combinación de
propiedades mecánicas tales como rigidez, tenacidad y resistencia a la tracción a temperatura ambiente y a
elevadas temperaturas.
La mayor parte de los materiales compuestos están formados por dos fases; una, llamada matriz, es
continua y rodea a la otra fase, denominada fase dispersa. Las propiedades de los compuestos son
función de las propiedades de las fases constituyentes,
de sus proporciones relativas y de la geometría de las fases dispersas.
Un esquema simple para clasificar los materiales compuestos consta de tres divisiones (Fig. 1.1):
compuestos reforzados con partículas, compuestos reforzados con fibras y compuestos estructurales;
además, existen dos subdivisiones para cada una. Se debe mencionar que la fase dispersa de los
materiales compuestos reforzados con fibras tienen una relación longitud-diámetro (factor de forma) muy
alta.
Figura 1-1. Clasificación de los Materiales Compuestos
2. Materiales Compuestos Reforzados con Partículas
Los materiales compuestos reforzados con partículas se subdividen en reforzados con partículas grandes y
consolidados por dispersión (Figura 1-1). Esta distinción se fundamenta en el mecanismo de
consolidación o de reforzamiento. El término" grande" se utiliza para indicar que las interacciones matrizpartícula no se pueden describir a nivel atómico o molecular, sino mediante la mecánica continua. En la
mayoría de los materiales compuestos la fase dispersa es más dura y resistente que la matriz y las
partículas de refuerzo tienden a restringir el movimiento de la matriz en las proximidades de cada
partícula. En esencia, la matriz transfiere parte del esfuerzo aplicado a las partículas, las cuales soportan
una parte de la carga. El grado de reforzamiento o de mejora del comportamiento mecánico
depende de la fuerza de cohesión en la interfaz matriz-partícula.
Un material compuesto con partículas grandes es el hormigón, formado por cemento (matriz) y arena o
grava (partículas).
El reforzamiento es tanto más efectivo cuanto más pequeñas sean las partículas y cuanto mejor distribuidas
estén en la matriz. Además, la fracción de volumen de las dos fases influye en el comportamiento; las
propiedades mecánicas aumentan al incrementarse
el contenido de partículas.
Las partículas de los materiales compuestos consolidados por dispersión normalmente son mucho
más pequeñas: los diámetros tienen de 10 a 100 nm. Las interacciones matriz-partícula que
conducen a la consolidación ocurren a nivel atómico o molecular. Mientras la matriz soporta la mayor
parte de la carga aplicada, las pequeñas partículas dispersas dificultan o impiden el desplazamiento de
dislocaciones. De este modo se restringe la deformación plástica de tal manera que aumenta el límite
elástico, la resistencia a la tracción y la dureza.
3. Materiales Compuestos Estructurales
Un material compuesto estructural está formado tanto por materiales compuestos como por materiales
homogéneos y sus propiedades no sólo dependen de los materiales constituyentes sino de la
geometría del diseño de los elementos estructurales. Los compuestos laminares, los cuales poseen
una dirección preferente con elevada resistencia (tal como ocurre en la madera), y los paneles sándwich,
que poseen caras externas fuertes separadas por una capa de material menos denso, o núcleo (ver figura 12), son dos de los compuestos estructurales más comunes.
Figura 1-2. Diagrama esquemático de la fabricación de un panel sándwich con un núcleo en panal.
4. Materiales Compuestos Reforzados con Fibras
Tecnológicamente, los materiales compuestos con fases dispersas en forma de fibras son los más
importantes. A menudo se diseñan materiales compuestos reforzados con fibras con la finalidad de
conseguir elevada resistencia y rigidez a baja densidad. Estas características se expresan mediante los
parámetros resistencia específica y módulo específico, que corresponden, respectivamente, a las
relaciones entre la resistencia a la tracción y el peso específico y entre el módulo de elasticidad y
el peso específico. Utilizando materiales de baja densidad, tanto para la matriz como para las fibras,
se fabrican compuestos reforzados con fibras que tienen resistencias y módulos específicos
excepcionalmente elevados.
Los materiales compuestos reforzados con fibras se subclasifican por la longitud de la fibra.
4.1. Conceptos Generales del Comportamiento Mecánico de Materiales Reforzados
con Fibras
4.1.1 Influencia de la Longitud de la Fibra
Las características mecánicas de los compuestos reforzados con fibras dependen no sólo de las propiedades
de la fibra, sino también del grado en que una carga aplicada se transmite a la fibra por medio de la fase
matriz. En este proceso de transmisión de carga es muy importante la magnitud de la unión en la interfaz de las
fases matriz y fibra. Al aplicar un esfuerzo de tracción, la unión fibra-matriz cesa en los extremos de la fibra y en
la matriz se genera un patrón de deformación como el que se muestra en la Figura 1-3; en otras palabras,
en los extremos de la fibra no hay transmisión de carga desde la matriz.
Figura 1-3. Patrón de deformación en una matriz que rodea a una fibra sometida a un esfuerzo de tracción.
Existe una longitud de fibra crítica para aumentar la resistencia y la rigidez del material compuesto. Esta
longitud crítica lc depende del diámetro d de la fibra, de la resistencia a la tracción σ f y de la resistencia
de la unión matriz-fibra (o resistencia al cizalle de la matriz).
La longitud crítica de algunas combinaciones de matriz-fibra de vidrio y de carbono es del orden de 1
mm, equivalente a unas de 20 a 150 veces el diámetro de la fibra.
Las fibras con l» lc (normalmente l >15 lc) se denominan continuas; y las fibras de menor longitud se
denominan discontinuas o fibras cortas. En las fibras discontinuas de longitud significativamente menor que lc,
la matriz se deforma alrededor de la fibra de modo que apenas existe transferencia del esfuerzo y el efecto
del reforzamiento de la fibra es insignificante.
4.1.2. Influencia de la Orientación y de la Concentración de la Fibra
La disposición u orientación relativa de las fibras y su concentración y distribución influyen
radicalmente en la resistencia y en otras propiedades de los materiales compuestos reforzados con fibras.
Con respecto a la orientación existen dos situaciones extremas: (1) alineación paralela de los ejes
longitudinales de las fibras y (2) alineación al azar. Las fibras continuas normalmente se alinean (Figura 14a), mientras que las fibras discontinuas se pueden alinear (Figura 1-4b) o bien se pueden orientar al azar
(Figura 1-4c)o alinearse parcialmente.
En el caso de esta investigación, dado el largo de la fibra de vidrio l, equivalente a 12 mm, se tiene que l ≈ 6
lc, con lc longitud crítica de la fibra. Es decir, se tiene una fibra discontinua o fibra corta. Además esta fibra
estará orientada al azar.
Figura 1-4. Representaciones esquemáticas de compuestos reforzados con fibras (a) continuas y alineadas, (b) discontinuas y
alineadas y (c) discontinuas y orientadas al azar.
4.2. Materiales Compuestos con Fibras Discontinuas y Orientadas al Azar
Normalmente, cuando los materiales compuestos tienen fibras orientadas al azar, éstas suelen ser discontinuas
y cortas; un reforzamiento de este tipo está representado en la Figura 1-4c.
El módulo elástico de los materiales reforzados, tanto si las fibras están alineadas como si están orientadas
al azar, aumenta al incrementarse la fracción de volumen de la fibra. En la Tabla 1-1 se indican algunas
propiedades mecánicas de los policarbonatos no reforzado y reforzado con fibras de vidrio discontinuas y
orientadas al azar. Esta tabla da una idea de las magnitudes que se pueden obtener mediante reforzamiento.
Tabla 1-1. Propiedades del policarbonato sin refuerzo y reforzado con fibra de vidrio orientada al azar.
Reforzado con fibra (% volumen)
Propiedades
No Reforzado
20
30
40
1.19 –1.22
1.35
1.43
1.52
59 – 62
110
131
159
2240 – 2345
5930
8620
11590
90 – 115
4–6
3–5
3–5
Gravedad Específica
Resistencia a la Tracción (MPa)
Módulo de Elasticidad (MPa)
Elongación (%)
En la Tabla 1-2 se indican las eficiencias del reforzamiento con fibras en varias situaciones; la eficiencia se
toma arbitrariamente como la unidad en la dirección paralela a la alineación y cero en la dirección perpendicular.
Tabla 1-2. Eficiencia del reforzamiento de compuestos reforzados con fibra orientado en varias direcciones y
esfuerzos aplicados en varias direcciones.
Orientación de la fibra
Todas las fibras paralelas
Fibras orientadas al azar y
uniformemente
Fibras orientadas al azar y
Dirección del esfuerzo
Paralela a las fibras
Perpendicular a las fibras
Eficiencia del reforzamiento
1
0
Cualquier dirección en el
plano de las fibras
3/8
Cualquier dirección
1/5
uniformemente
distribuidas en el espacio
En las aplicaciones en las que las fibras están sometidas a esfuerzos totalmente multidireccionales
normalmente se utilizan fibras discontinuas orientadas al azar en la matriz. La Tabla 1-2 muestra que la
eficiencia del reforzamiento de estos compuestos es sólo la quinta parte de la eficacia correspondiente a
los compuestos cuyas fibras están alineadas en la dirección longitudinal; sin embargo, las propiedades
mecánicas son isotrópicas.
Las consideraciones sobre la orientación y la longitud de las fibras de un compuesto particular
dependen del nivel y de la naturaleza del esfuerzo aplicado y del costo de fabricación. Las velocidades de
producción de compuestos con fibras cortas (alineadas y orientadas al azar) son rápidas y se pueden conformar
piezas de formas intrincadas que no son posibles con refuerzos de fibras continuas. Además, los costos de
fabricación son mucho más bajos que en el caso de compuestos reforzados con fibras continuas y alineadas.
4.2.1 Fase Fibrosa
Una importante característica de muchos materiales, especialmente los frágiles, es que las fibras con
diámetros pequeños son mucho más resistentes que el material macizo. Como es sabido, la probabilidad de
la presencia de una imperfección superficial crítica que conduzca a la rotura disminuye cuando aumenta el
volumen específico [12]. Este fenómeno se utiliza con ventaja en los compuestos reforzados con fibras. El
material utilizado como fibra de refuerzo debe tener alta resistencia a la tracción.
En función de sus diámetros y características, las fibras se agrupan en tres categorías diferentes:
whiskers, fibras y alambres. Los whiskers son monocristales muy delgados que tienen una relación
longitud-diámetro muy grande. Como consecuencia de su pequeño diámetro, tienen alto grado de perfección
cristalina y están prácticamente libres de defectos, y por ello tienen resistencias excepcionalmente elevadas.
Los whiskers pueden ser de grafito, carburo de silicio, nitruro de silicio y óxido de aluminio. En la Tabla 1-3
se dan algunas características mecánicas de estos materiales.
Tabla 1-3. Características de materiales reforzados con fibras.
Los materiales clasificados como fibras son policristalinos o amorfos y tienen diámetros pequeños; los
materiales fibrosos son generalmente polímeros o cerámicas (p.ej., aramida, vidrio, carbono, boro, óxido
de aluminio y carburo de silicio). La Tabla 1-3 también indica algunos datos de varios materiales
utilizados como fibras.
Los alambres tienen diámetros relativamente grandes; los materiales típicos son el acero, el molibdeno y el
tungsteno. Los alambres se utilizan como refuerzos radicales de acero en los neumáticos de automóvil,
filamentos internos de los recubrimientos de cohetes espaciales y paredes de mangueras de alta presión.
4.2.2. Fase Matriz
La fase matriz de un material compuesto con fibras ejerce varias funciones. En primer lugar, une las fibras
y actúa como un medio que distribuye y transmite a las fibras los esfuerzos externos aplicados; sólo una
pequeña fracción del esfuerzo aplicado es resistido por la matriz. Además, la matriz debe ser dúctil y,
por otra parte, el módulo elástico de la fibra debe ser mucho mayor que el de la matriz. En segundo lugar,
la matriz protege las fibras del deterioro superficial que puede resultar de la abrasión mecánica o de
reacciones químicas con el medio ambiente. Estas interacciones introducen defectos superficiales
capaces de originar grietas, que podrían producir fallos con esfuerzos de tracción relativamente bajos.
Finalmente, la matriz separa las fibras y, en virtud de su relativa blandura y plasticidad, impide la
propagación de grietas de una fibra a otra, que originaría fallos catastróficos; en otras palabras, la matriz
actúa como una barrera que evita la propagación de grietas. Aunque algunas fibras individuales se rompan, la
rotura total del material compuesto no ocurrirá hasta que se hayan roto gran número de fibras adyacentes,
que forman un agregado de tamaño crítico.
Es esencial que la adherencia de la unión entre fibra y matriz sea elevada para minimizar el arrancado
de fibras. En efecto, la resistencia de la unión tiene gran importancia en el momento de seleccionar
la combinación matriz-fibra. La resistencia a la tracción final del compuesto depende, en gran parte, de la
magnitud de esta unión; una unión adecuada es esencial para optimizar la transmisión de esfuerzos desde la
matriz a las fibras.
RESINAS EPOXI
RESINAS DE POLIESTER
HORMIGON REFORZADO CON FIBRA NATURAL
La producción en todo el mundo de fibras naturales, eclipsa la producción de
muchos materiales naturales.
Se ha estimado que 280 Millones de toneladas de biomasa desechada son
generadas cada año solo en EEUU. Los cultivos de fibras primarias naturales
alcanzan los 5 Millones de toneladas en 2001 en todo el mundo.
Existe una necesidad crítica de proporcionar materiales que faciliten
construcciones residenciales más seguras, especialmente en áreas que sufren
avalanchas o catástrofes. El hormigón desarrollado aquí, se ha creado para aplicar
en situaciones en las cuales la calidad y el control de calidad de la construcción de
hormigón producen edificios que no se comportan bien bajo posibles seísmos.
En muchas regiones del mundo, el hormigón reforzado con acero, es el
material más común de construcción, sin embargo el acero reforzado del compuesto
es un material sensiblemente caro.
Edificios de hormigón que se colapsaron en terremotos en Turquía. Taiwán y
Afganistán, han destacado el problema de construcciones por debajo del estándar
con edificios infrareforzados de hormigón.
Mientras la cantidad segura de acero reforzado adecuada es relativamente
pequeña para estructuras de luces cortas, es muy caro contribuir sustancialmente a
los costes globales del compuesto.
Las construcciones en estos países y en otros son tentadas a limitar o
eliminar completamente acero reforzado en la construcción con hormigón.
Este asunto implica temas de seguridad especialmente en áreas donde la
resistencia a las cargas dinámicas de los terremotos son críticas para una segura
ocupación de los edificios de hormigón.
El aumento o sustitución parcial de acero con fibras naturales en hormigón
reforzado podría ser una manera económica de ofrecer un método alternativo para
conseguir mayor seguridad en estructuras de hormigón en el mundo.
Productos especializados han sido formulados materiales derivados de
plantas de biomasa tales como:
ƒ Plásticos derivados de almidón
ƒ Biopolímeros para recubrimiento secundario de aceite
ƒ Papel y tejidos de lana
Sin mencionar el etanol como sustituto de petróleo.
Maria del Mar Nogueira López
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Mientras que los tipos de aplicaciones de materiales de biomasa en
construcción de edificios han variado mucho, el principal foco de investigación ha
sido el uso de fibras naturales derivadas de plantas para reforzar la tensión en
compuestos de cementos y polímeros.
Estos compuestos son generalmente materiales débiles, en los cuales la fibra
reforzada sirve para añadir rigidez y tenacidad a la mezcla final.
La mayoría de las aplicaciones que usan fibras naturales requieren
únicamente procesos muy simples y de baja energía. La mayoría de las fibras
naturales no pueden soportar elevadas temperaturas y entornos químicos cáusticos.
Esta limitación descarta un amplio rango de procesos industriales.
Este estudio analiza el comportamiento mecánico de la fibra de lino utilizada
como un refuerzo de tensión y agente absorbente de energía en el hormigón.
.
El uso de materiales biológicos que derivan biológicamente en componentes
para la construcción, ha sido un proyecto latente durante muchas décadas.
La mayoría de los trabajos en estas áreas han sido desarrollados en centros
de investigación y universidades, en regiones en vías de desarrollo en el mundo,
algunas veces con colaboraciones europeas y americanas.
Materiales renovables que no son tóxicos y requieren procesos de baja
energía han llegado a ser componentes importantes del gran objetivo de desarrollar
edificios responsables con el medio ambiente para aplicaciones tanto a regiones en
desarrollo como industrialmente maduras.
Además, la investigación ha demostrado el valor de las técnicas que han sido
cuidadosamente puestas como objetivo de transferencia tecnológica para el
particular contexto social cultural y económico para el cual se ha creado.
El uso de materiales naturales, especialmente aquellos derivados de prácticas
agrícolas en una localización en particular, traen consigo una base de conocimiento
local que puede ser utilizada para desarrollar tecnologías de proceso apropiadas.
Con el desarrollo exitoso de materiales de construcción apropiados, llegan
oportunidades para catalizar un crecimiento regional económico efectivo y
sostenible, sin crear problemas medioambientales.
Estas tecnologías tiene el potencial de ayudar a las estrategias de desarrollo
que están enfocadas a la capacidad de construcción y a la erradicación de la
pobreza.
Maria del Mar Nogueira López
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FIBRAS
NATURALES:
CARACTERÍSTICAS.
PROPIEDADES
MECANICAS
Y
OTRAS
A pesar del hecho de que los
compuestos como el GFRPs Y CFRPs
son ahora utilizados ampliamente en la
construcción arquitectónica y civil, el uso
de fibras naturales en los compuestos
materiales, se ha quedado atrás.
Está claro desde una evaluación
del módulo de Young que las fibras
naturales
poseen
razonablemente
buenas propiedades mecánicas para el
uso como refuerzo estructural en
componentes arquitectónicos.
Cantidades altas de tasas de lino
entre fibras naturales en términos de
resistencia a la tensión, suponen una
propiedad crítica en el comportamiento
de un inhibidor de fracturas en
compuestos de hormigón.
Estas propiedades mecánicas con
relativamente bajo coste, procesos
simples y fáciles de manejar ofrecen
buenas posibilidades para su uso en
compuestos.
Las
fibras
naturales
están
compuestas
de
una
compleja
combinación de celulosa, gemicelulosa,
“pecting y ligning”. Las proporciones
relativas de estas sustancias varían
considerablemente entre las especies.
La celulosa puede proporcionar la
función estructural de la planta por que
es un polímero de condensación lineal,
de unidades de anidroglucosa.
Imágenes de distintas fibras naturales
Como sisal, lino,…
El grado de polimerización Pm es un aspecto importante de la morfología de
la celulosa en la fibra, y un determinante primario del comportamiento mecánico del
material.
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El nivel de polimerización determina la estructural supramolecular de la fibra.
Adicionalmente esta estructura supramolecular es determinante en la mayoría de las
propiedades físicas y mecánicas de la fibra en si misma.
Otra importante característica es el tipo de celulosa: Tipo I o Tipo II que está
contenida dentro de la fibra.
El tipo de celulosa también determina algunos aspectos como el ángulo de
orientación de las moléculas de la celulosa en relaciona la dirección de la fibra, y
esto afecta al comportamiento mecánico de la fibra.
En términos de coste la proporción de fibra de lino es de las más caras de las
fibras naturales, y a menudo excede al eglass, con variaciones sustanciales entre las
regiones. Sin embargo, este hecho solo no debería afectar considerablemente a la
importancia global de la fibra como un agente de refuerzo para la tensión.
Cambios en la escala de producción, distribución y la posibilidad de un nuevo
mercado cambiará ciertamente los factores sobre los cuales el coste se ha
calculado.
Varios de los atributos positivos que reducirán el coste económico asociado
son los siguientes:
1.
2.
3.
4.
las fibras naturales se encuentran habitualmente y de manera global,
cosechadas comúnmente como cualquier materia prima o secundaria
mediante procesos agrícolas bien establecidos. Las fibras naturales de
plantas materiales son la fuente primaria de nuevas tecnologías de
materiales biocompuestos, en muchas industrias, incluyendo materiales de
construcción, automoción y productos de consumo.
Fibras naturales como resultado de procesos naturales, son renovables y a
menudo biodegradables. El impacto medioambiental durante la siembra, el
crecimiento y la maduración de la planta está restringido al suelo en el cual
es plantado. El tomar grandes ventajas de la cualidad benigna del material,
requerirá el desarrollo de industrias en las regiones con grandes
potenciales de desarrollo de fibras naturales para la construcción.
Las fibras naturales fijan y retiene el carbón. El CO2 liberado durante la
combustión o descomposición retorna al medioambiente del cual fue
originalmente fijado, contribuyendo por tanto a una ganancia de suma cero
de la cantidad total de carbono en la atmósfera.
Las fibras naturales son un grupo de materiales con una larga historia
económica, tecnológica y social, dentro del desarrollo de las regiones
predominantemente agrícolas. Esta extensa familiaridedad en el cultivo,
cosecha, proceso y manipulación de las fibras naturales es un componente
importante en la formulación de los procesos de producción sostenibles.
Algunas fibras han sido utilizadas durante miles de años. Cualquier
desarrollo de tecnologías contemporáneas utilizando fibras naturales se
puede construir sobre este conocimiento existente y experiencia autóctona.
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5.
6.
7.
Las fibras naturales son mucho menos abrasivas que las fibras sintéticas
como el vidrio y el carbón. Esta menor abrasión ayuda en varios pasos del
proceso.
Las fibras naturales generalmente poseen alta resistencia a ratios de carga.
Las fibras naturales son no toxicas en la mayoría de las condiciones de
exposición normal.
Las características negativas más importantes son las siguientes:
1.
2.
3.
4.
5.
Las fibras naturales son fuertemente hidrofílicas. Esta propiedad es debida
fundamentalmente al enlace de hidrógenos de los grupos hidroxilicos de la
molécula de celulosa. Este es un problema en ambas matrices polimérica y
de cemento. La absorción de agua previa, durante y después de la
fundición y el curado podría afectar tanto ala durabilidad de la fibra como a
la integridad del enlace intefacial entre matriz y fibra.
La molécula de celulosa, el núcleo de la estructura de todas las plantas de
fibra es sensible al ataque en un entorno alcalino. Es necesario tener
cuidado del nivel de PH de cualquier matriz de materiales.
LA mayoría de las fibras naturales comienzan a desintegrarse a los 150º
centígrados.
Las propiedades físicas y mecánicas de las fibras naturales varían
ampliamente entre especies, e incluso entre haces de las mismas especies.
Las fibras naturales son una mezcla compleja de celulosa, hemicelulosa,
ligning, pecting, ceras y sustancias solubles en le agua. La proporción de
estos materiales y su distribución en las fibras depende de las especies
particulares. Por tanto el comportamiento de las fibras naturales varía
enormemente. Actualmente los datos de las propiedades materiales de las
fibras naturales son incompletas. Estandarizar el uso de las fibras naturales
requerirá mejores datos de propiedades físicas y mecánicas de los que
actualmente están disponibles.
El comportamiento micro mecánico de las fibras naturales, especialmente
dentro de una matriz no ha sido adecuadamente descrito. Avanzar en el
uso de las fibras de forma fiable y segura requerirá un esfuerzo tanto de
análisis teórico como de datos empíricos.
MATERIALES. HORMIGON
Se utiliza el hormigón como material matriz, y la fibra de lino como el
elemento reforzador para un biocompuesto que se ha empleado en partes
estructurales de edificios de luces cortas.
Esta aplicación conforma los
requerimientos de las viviendas; el tipo de edificio mas común utilizando hormigón
reforzado en el mundo.
Otra vez mientras que, mientras que una gran cantidad de trabajo ha sido
dotado con buena consideración al uso de fibras naturales con una matriz de
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cemento, hay una necesidad de desarrollar investigación en fibras naturales en
hormigón.
La combinación de la totalidad de especies de plantas candidatas con el
potencial a contribuir de las fibras útiles para un compuesto, y las inconsistencias de
investigaciones previas en el uso de fibras naturales en hormigón y otras matrices,
hace que este sea un área fructífera en la investigación de la construcción de
edificios.
El hormigón reforzado domina la industria de la construcción en gran parte del
mundo desarrollado hoy. Es también un material estructural primario, junto con el
acero en gran parte del mundo desarrollado.
El hormigón reforzado sirve como material predominante para la estructura
básica, y en menor medida el material infiltrado que actúa como el envoltorio exterior
de una variedad de edificios de todo tipo y escala.
El hormigón reforzado es particularmente frecuente en regiones en desarrollo
por varias razones: el relativo bajo coste y buena disponibilidad de los materiales
constituyentes, el uso de mano de obra poco cualificada tanto en la fabricación del
cemento como en la fabricación del hormigón, la facilidad y baja cualificación
tecnológica de los procesos de construcción y la posibilidad de usar el material en un
gran numero de componentes para los edificios; el tejado, suelo, paredes,…y otros
elementos primarios de los edificios.
FIBRA DE LINO
El lino ha sido utilizado de forma continua durante 10.000 años. Hay
evidencias del uso del lino como comida; además de cómo textil ha sido descubierto
en varios yacimientos arqueológicos de asentamientos agrícolas en el cercano este.
Esta claro que desde épocas tempranas que se le dedico una gran atención al
cultivo del lino. Este cultivo era una de las fuentes primeras de una gran variedad de
importantes productos incluyendo aceite de linaza, fibra de lino para tejidos y grano
de cereal.
El lino “ursitatisimun”, el más importante y útil de las variedades de lino,
encuentra su lugar alrededor del cercano este y fue un importante cultivo en
Mesopotamia y Egipto. El cultivo pronto se extendió al medio este, Europa y
eventualmente América.
El lino pertenece ala familia de las plantas bastas. El cáñamo, el quenaf, el
sun-gemp, el ramie, y el yute son también miembros de este grupo, conocido por sus
largas y fuertes fibras. Las plantas bastas se caracterizan por una capa de tallo
exterior, que contiene entre el 10 y el 40% de la masa de fibras más fuertes del tallo,
en el bulto de fibras alrededor de un material fibroso menos fuerte.
La producción global excede de 12 millones de acres, de los cuales Europa y
Rusia son los principales productores.
La fibra útil es separada mecánicamente usando varias técnicas. Las fibras no
procesadas utilizadas en este proceso están entre 10 y 17cm. La fibra de lino está
compuesta de un fardo de fibras de aproximadamente 100 micras de diámetro. Cada
fardo de fibras contiene entre 20 y 50 fibras de 20 micras de diámetro cada una.
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La fibra es más o menos de sección cilíndrica, con un lumen muy fino y
relativamente gruesas paredes en la célula.
Históricamente el “retting” (un proceso en el que se estrujan las raíces a
través de un rodillo compresivo) ha sido el método de elegir las fibras útiles de la
planta. El lino es cultivado para obtener 3 productos agrícolas distintos: la semilla, la
linaza y la fibra. Sin embargo estos 3 productos no pueden ser obtenidos de forma
óptima del mismo proceso de cultivo o programa de cosecha.
La fibra se obtiene mejor de una planta que esté inmadura y no produzca
semillas en época de cultivo. Estas plantas inmaduras producen las fibras más
largas y fuertes de la especie. En contraste, las fibras obtenidas de plantas
cultivadas para semillas son de una tensión y fuerza significativamente menor. Sin
embargo la fibra puede ser obtenida de esta manera y actualmente formar un cultivo
de semillas infrautilizado.
Los investigadores han identificado el lino además del cáñamo, el quenaf, el
yute y el coir, como grandes promesas en el uso de compuestos de materiales de
construcción y otras aplicaciones. En adicción de la celulosa producida desde la
pulpa de madera la celulosa producida de fibras naturales es uno de las mejores
fuentes de producción natural de polímeros naturales mecánicamente interesantes.
PROGRAMA EXPERIMENTAL
Acero reforzado con lino
1. Test de tensión: Cilindro de 100 dia por 200 mm.
2. Test de compresión uniaxial: cilindro de 100 dia por 200 mm.
3. Test de curvatura en tres puntos: viga de 100x100x350
Fibra suelta
4. Test de tensión directa
Estos test se consideraron como el tipo y numero apropiados requeridos para
establecer las características de transferencia de carga de FFRC. Para todos los
test, las proporciones de mezcla de los distintos componentes del cemento se
mantenían constantes, mientras que la longitud de las fibras testeadas variaba entre
1, 3, 5, 7.5 y 10 cm. Las proporciones de las mezclas y los materiales actuales
usados fueron los siguientes:
Los especimenes testeados se componían de fibra de lino de varias
longitudes aleatoriamente distribuidas con la mezcla de hormigón y aditivos. Las
fibras no fueron tratadas. Mientras que hay evidencia de que varios tratamientos de
las fibras podrían aumentar su longevidad en la matriz de hormigón, así como
contribuir a un aumento incremental de resistencia ala tensión.
El estudio no escogió utilizar ningún tratamiento debido a los inevitables costes
adicionales en que podría incurrir.
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Los costes adicionales del proceso plantean el riesgo de convertir el material
como económicamente inviable como alternativa al típico hormigón reforzado
especialmente en regiones en desarrollo.
Para esta serie de test no agregados, fue utilizado, debido a los efectos
dañinos, estos relativamente grandes elementos que tiene la fibra de lino. También
se determinó que estos agregados dificultaban la aleatoria y uniforme distribución de
fibras en el hormigón.
La calidad hidrofilita de la mayoría de las fibras vegetales hacía difícil de
manipular la mezcla de hormigón debido a la sustancial absorción de agua y
superficie rugosa del haz de fibras. Este efecto tiende a conformar una distribución
homogénea de fibras en la mezcla de hormigón.
Los gases de sílice fueron utilizados basándose en estudios que habían
identificado “pozzolands”
como contribuyentes sustanciales para reducir la
sensibilidad de la mezcla de los compuestos de fibra de hormigón reforzada con
celulosa. Además de estas propiedades, el sílice fue utilizado para proporcionar un
empaste denso entre todas las partículas hidratadas y la fibra natural. Sustituir los
gases de sílice con un “flyash” o otras sustancias industriales es otro objetivo futuro
de los investigadores.
Los datos producidos por los test que fueron más productivos en determinar:
‰ Fuerza ultima
‰ Tenacidad
Determinando estos dos valores se obtendrá una útil comprensión de la
absorción de la energía de los materiales.
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Hannant y Piggott hacen hincapié en la importancia de evaluar la contribución de
la fibra y la matriz de forma separada. La fuerza última es el valor mas fácil de definir
ya que es simplemente la carga mas alta soportada por el espécimen, ya sea en
compresión, torsión o tensión. El valor de tenacidad a pesar de que se derive
empíricamente de una manera más compleja es una importante propiedad de los
compuestos de fibra reforzada.
La determinación de la tenacidad se guía por numerosos estándares
internacionales. Tal y como describe Barr la tenacidad se define como la capacidad
de absorción de energía de los materiales determinada por el área bajo la curva del
desplazamiento de carga que se obtiene por medidas experimentales.
TEST DE COMPRESIÓN
Los test de compresión indican relativamente pocos beneficios en la inclusión de
fibras de lino de 1 y 5 cm. en comparación con las muestras no reforzadas. Incluso
hay un aumento en la carga última de estas muestras. Los fallos en el mecanismo
de todos estos especimenes fueron relativamente catastróficos. Sin embargo la fibra
de 10 cm. FFRC demostró una mejor respuesta, resistiendo una fracción mas
significante de la carga gracias a un mucho mayor desplazamiento y teniendo un
valor mucho mas grande de tenacidad.
Sin embargo cunado los resultados de fibras de 2.5 y 3 cm. de longitud se sobre
imponen sobre el grafico previo es claro que este rango de longitudes de fibra se
comporten significativamente mejor que los de 1 5 o 10 cm. Ambas magnitudes los
valores de carga y tenacidad son mas grandes con el uso de longitudes de fibra de
2,5 y 3 cm.
TEST DE TORSIÓN DE TRES PUNTOS
El test de torsión es más complicado y garantiza una descripción detallada en
este punto.
Se usó un rayo de corte bajo el test de los 3 puntos de torsión en vez del más
comúnmente usado de 4 puntos. En materiales quebradizos, como el hormigón y el
mortero, el test de rayo de corte claramente ilustra el comportamiento mecánico de
los composites, fibra y matriz, en el primer momento de rotura.
El rayo de corte representa el comportamiento del material en la superficie de
rotura y también permite un mejor estudio de la contribución de la fibra embebida en
la resistencia del compuesto y de las consiguientes cargas.
Maria del Mar Nogueira López
ETSAG
Master en arquitectura y ciudad
Materiales
Curvas de carga y desplazamiento de un test de torsión de 4 puntos de mezclas
de hormigón usando fibras de lino. Las etiquetas se refieren a la longitud (cm.) de la
fibra de lino dispersas aleatoriamente, en la matriz de hormigón. Claramente el
refuerzo de 3 cm. de fibra es superior en fuerza sobretodo en tenacidad y muestra
buen comportamiento multirotura.
Por la incorporación de fibras naturales con una matriz cementicia, el rayo de
corte cargado en la torsión de tres puntos, es particularmente útil para el
comportamiento actual del refuerzo con fibras. Se obtienen también valores de
deflexión de mediciones del desplazamiento del arranque de rotura.
El test también confirma las superiores prestaciones de las muestras de 2,5 y 3
cm. de fibra reforzada. No solo son valores de fuerza y tenacidad mayores de 1, 5 y
10 cm. de muestra, pero los dos ejemplos de 2.5 y 3.0 cm. de muestran indicadores
de multirotura; un buen indicador de la absorción de energía del refuerzo de fibra.
Después de revisar los resultados de estos otros test, más repeticiones de los
correctamente realizados para llegar a una conclusión clara que esté relacionada
con la longitud óptima de la fibra de lino como refuerzo de hormigón.
Con este test se determinó que la longitud óptima es de 3.0 cm. Adicionalmente
esta fibra de 3 cm. produce una mezcla sin aparentes grupos de fibras naturales.
Maria del Mar Nogueira López
ETSAG
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ANALISIS CON ESCANEO MICROSCOPICO (SEM)
Primero: los haces de fibras fueron
encontrados intactos y separados en
segmentos individuales en el hormigón
hidratado.
No
había
una
clara
ponderación de una condición sobre las
otras y ambas situaciones fueron
encontradas distribuidas en la matriz.
Segundo: como resultado del estado
de separación en fibras durante la
selección da la situación de que la matriz
no ha penetrado entre los haces y las
fibras. Sin embargo, se encontró, que la
pasta de cemento entró entre estos
espacios y ha rodeado completamente
las fibras y los haces de estas.
Ningún área entre fibras individuales
encontradas llenas de pasta de
cemento. Adicionalmente muchas fibras
que se dejaron expuestas a la superficie
de
rotura
fueron
correctamente
recubiertas de la matriz.
Tercero: Del examen de al menos 56
muestras parece claro que una variedad
de fallos contribuyen a la rotura de la
mezcla.
Con estos resultados se demuestra la
buena interface entre la matriz de
hormigón y fibra de lino. Varios vínculos
interfaciales podrían ser vistos.
Las imágenes muestran una buena
interacción entre el hormigón hidratado y
las fibras de lino con una distribución
aleatoria de estas últimas perfectamente
visible en las imágenes.
Además las imágenes muestran que
el hormigón y los haces de fibras están
claramente estableciendo un vinculo
mecánico interfacial.
Maria del Mar Nogueira López
ETSAG
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CONCLUSIONES
Las fibras naturales tiene ventajas de buena resistencia a los ratios de peso,
gran disponibilidad y bajo coste. Fácil procesamiento, facilidad de reciclaje y
capacidad biodegradable.
Las fibras incluyen las más amplias y disponibles fuentes agrícolas de celulosa y
lignun. “Sisal”, paja, lino, cáñamo, yute,… y otras fibras naturales tropicales y de
clima templado son ejemplos que han sido mostrados por tener buenas
potencialidades para usarse en el refuerzo de los compuestos con estas fibras.
Las aplicaciones se enfocan principalmente buscando alternativas de bajo coste
para construcción en regiones en desarrollo.
Los resultados del test y los análisis SEM también indican que:
1. la fibra de lino contribuye tanto a la resistencia como a la tenacidad el
hormigón
2. la fibra de lino en el hormigón esta optimizada a una longitud de
aproximadamente 3 cm.
3. una efectiva inclusión morfológica de las fibras en el hormigón es posible
con un protocolo apropiado de mezclas que evite agrupamientos de fibras.
4. las fibras de lino contribuyen al aumento de las propiedades mecánicas del
compuesto de hormigón a través de una compleja combinación de fallos
mecánicos de la fibra/matriz.
5. FFRC permite razonables expectativas de resistencia y tenacidad para un
material estructural viable en edificios de corta y moderada envergadura.
Sin embargo la fibra de lino demuestra las típicas características negativas de la
mayoría de fibras naturales.
Una de las más importantes es que las fibras naturales son relativamente difíciles de
manejar como parte de cualquier proceso húmedo como el de inclusión de hormigón
en moldes y formas. La superficie variable de las fibras y la variación de sus
longitudes y calidades le dan a las fibras formas inmanejables cuando se manipulan.
En diversos estudios se encontró que la manipulación exitosa de las fibras requiere
familiarizarse con la particular viscosidad y textura de la mezcla de hormigón y fibras
naturales.
Maria del Mar Nogueira López
ETSAG
Master en arquitectura y ciudad
Materiales
BIBLIOGRAFIA
# Material Architecture
John Fernández
Architectural Press 2006
# High Quality Flax Fiber Composite
Kristina Oksman
Journal of Reinforced Plastics and Composites 2001
# Pre-treatment of Flax Fibers for use in Biocomposites
Wang and Panigrahi
Journal of Reinforced Plastics and Composites 2007